基于建筑智能化實訓平臺的無線火災自動報警系統設計

摘要：文章基于建筑智能化實訓平臺，分析了利用ZigBee技術設計無線火災自動報警系統的思路，探討了網關、網絡節點模塊以及終端控制軟件的設計，并介紹了測試結果，還進一步討論了系統功能擴展、設備改造和實驗實訓課程開發的可行性。

關鍵詞：無線火災自動報警系統；硬件系統設計；軟件系統設計；建筑智能化實訓平臺

中圖分類號：TN98????????? 文獻標識碼：A?????????? 文章編號：1672-4437（2023）03-0047-04

0 引言

建筑智能化實訓平臺主要用于高職院校建筑類專業建筑智能化系統安裝與調試等實訓課程教學。實訓平臺包含“視頻監控系統”“門禁系統”“消防系統”“照明系統”“綜合布線系統”等5個子系統^[1-2]，其中，“消防系統”的火災自動報警系統模塊的數據信號采用有線方式進行傳輸。近年來，隨著無線通訊技術的快速發展，無線火災自動報警系統已廣泛應用在國內外建筑行業當中，該系統的全面無線化已成為大勢所趨^[3]。

相較于WiFi、藍牙、紅外線等其他常用的短距離無線通信方式，Zigbee無線技術具有低功耗、低成本、易用性強等優勢。利用Zigbee進行2.4GHz組網是當下構建無線火災報警系統最為成熟的方法，可用于室內環境監測、智能家居控制和相關數據的采集，符合有線系統無線化的設計需求^[4]。

1 整體設計

1.1 設計思路

在建筑智能化實訓平臺中，原有線式火災自動報警系統主要包括探測器、報警器和控制器3個部分，其數據信號通過線纜進行傳輸。本設計意圖在此基礎上通過無線網絡實現開放式的數據傳輸，以擺脫短距離和障礙物等物理限制，同時保證火災監測數據和報警信號的實時反饋。具體工作包括：

一是確定系統設備的改造方向。原有線式火災自動報警系統中，探測器負責采集火災狀態數據，包括煙霧探測器和溫度探測器兩種類型；報警器是在現場發生火災后負責發出聲光警報的具體設備。探測器采集數據和報警器控制信號是通過有線方式向控制器傳輸的。為實現無線傳輸，確定將探測器、報警器的數據信號改造為通過無線網絡節點接收和發送。

二是確定需要添加的硬件模塊。依據ZigBee技術搭建無線自組網絡，需要設計添加ZigBee網關模塊和網絡節點模塊。其中，網關模塊是由主控芯片搭建ZigBee網絡協調器，實現設備間的網絡互連；網絡節點模塊安裝在探測器、報警器等設備的前端，實現對采集數據和控制信號的上傳、下達。

三是提升實訓平臺的教學效果。相較于原有線系統，改造后的無線火災自動報警系統，應體現行業技術發展和實踐技能提高的最新方向。在應用于實驗實訓課程教學時，能夠鍛煉學生電氣設備安裝、無線網絡搭建和終端軟件配置等多方面的實踐動手能力，磨煉高職院校相關專業學生的工匠技藝。

1.2 系統構架

該無線火災自動報警系統包括5部分（如圖1所示）：Zigbee網關模塊、Zigbee網絡節點、報警器、探測器（煙霧探測器、溫度探測器）和終端設備（電腦或手機）。其中，在基于ZigBee技術建立的無線網絡內，原本通過有線系統與控制終端連接的探測器、報警器，現通過無線網絡節點將數據匯聚至ZigBee網關，再通過安裝有配套管理軟件的電腦或手機等終端設備，即可實現對火災狀況的無線監控及歷史數據查詢等功能。

2 硬件系統設計

2.1 網絡節點設計

網絡節點由主控芯片、時鐘單元、電源單元和調試串口組成（如圖2所示），其作用是將探測器監測數據上傳至網關，以及將控制命令傳輸至報警器。核心控制芯片采用美國德州儀器（Texas Instruments）公司的CC2530芯片，它符合兼容ZigBee-RF4CE的網絡協議棧（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI），集成了高性能的RF收發器、8051微處理器、8kB的RAM，有多種閃存規格可供選擇以及其他強大的支持功能和外設接口（2個USART、12位ADC和21個通用GPIO）等^[5]。在此基礎上，探測器采集數據通過CC2530中的A/D轉換器，實現模擬信號和數字信號相互轉換，采用無線網絡將信息傳輸至網關，經過控制器進行邏輯判斷后向報警器發出控制信號。

2.2 網關設計

網關，又稱網間連接器、協議轉換器，其作用是實現不同網絡之間的互連，可用于兩個高層協議不同的網絡通信。該系統的網關在硬件設計上與網絡節點基本一致，由CC2530芯片擴展而成，其主要構成為ZigBee網絡協調器，它將接收到的各網絡節點的數據進行處理并通過WiFi模塊發送至終端控制設備（電腦或手機）^[6]，如圖3所示。

與網絡節點的不同在于，ZigBee網絡協調器中CC2530芯片的USART0接口用于調試，而USART1接口連接WiFi模塊進行通信使用。這里選用的WiFi模塊為ESP8266，該模塊內置完整的TCP/IP協議棧，是一款經濟高效的WiFi主控芯片模塊，支持標準IEEE802.11b/g/n協議，內置10位高精度ADC，采用低功率32位CPU，支持豐富的外設接口，時鐘頻率最大為160MHz^[7]。

3 軟件系統設計

3.1 控制邏輯設計

該系統軟件模塊面向終端設備使用，設計原則為控制邏輯清晰、軟件界面簡潔、操作方式簡易、數據查詢便捷。軟件系統整體功能劃分為兩部分：狀態監測和報警管理（如圖4所示）。其中，狀態監測部分分為探測器狀態、溫度指數、煙霧指數、歷史查詢等4個子系統功能；報警管理分為報警器狀態、閾值設置、手動開關等3個子系統功能。

控制軟件的具體工作內容包括：一是實時查看探測器監測數據及變化曲線，顯示設備狀態。二是實現報警功能。可以根據監測環境的需求對溫度和煙霧濃度設置閾值，當監測數據出現異常時自動發出報警指令。三是存放和管理數據信息。將接收到的監測數據和設備狀態等信息存放在數據庫的具體數據表中，并可用于任意時間進行查詢。

3.2 終端軟件設計

該系統設計選用桌面計算機作為控制終端，選擇Visual Studio 2019軟件并采用C#語言開發系統管理軟件，選用Access軟件制作數據庫用于儲存與管理采集數據，通過設計不同模塊控件實現系統各功能之間的數據傳遞。軟件系統整體包含交互層、中間層和數據層三層架構。其中，交互層面向用戶；中間層用于數據與執行處理；數據層主要為系統的數據存儲提供服務。在軟件工作流程中，用戶可以在軟件界面上操作，完成數據傳遞、調度事件、消息傳遞以及接口調用和預留，通過中間層形成底層數據和頂層應用的交互融合，實現系統整體功能。

系統軟件操作登錄界面包括系統使用人員的注冊與登錄，主界面包括火災報警器狀態、手動開啟/關閉警報、報警記錄、探測器狀態、歷史數據查詢等。用戶啟動軟件平臺后，已注冊賬戶的用戶可以直接登錄。新用戶需要重新注冊，注冊完成后，輸入注冊賬號和密碼登錄系統，然后進入軟件主界面進行相關操作。

軟件主要工作內容包括：一是實時查看探測器、報警器狀態和環境監測數據，查詢歷史數據和報警記錄；二是進行系統配置，設置溫度或煙霧濃度的報警值；三是設備管理，可以手動控制報警器的開啟或關閉。

4 系統測試

建筑智能化實訓平臺是由鋁合金型材和鐵質網孔板構成的模擬鋼結構建筑模型，空間大小為4.6m×2.2m×2.3m（長×寬×高），共分為“智能小區”“智能大樓”和“管理中心”三個區域，原有線式火災自動報警系統安裝在智能大樓區域當中。進行測試前，先將無線火災自動報警系統設備安裝在對應位置處，再完成線路連接和設備組網，然后進行功能調試。根據系統設計要求，探測器、報警器應能夠通過無線網絡實現與控制終端的數據信號傳輸，主要對是否能夠實現系統功能和傳輸信號的穩定度進行測試。

完成軟、硬件配置后，對無線火災自動報警系統進行測試，測試結果為：一是在建筑智能化實訓平臺內，ZigBee網絡節點、網關和控制終端運行狀態良好，連接無線網絡信號穩定，符合使用需要。二是利用控制電腦運行系統管理軟件，能夠正常查看報警器、探測器運行狀態，實時顯示溫度和煙霧濃度數據，手動開啟/關閉報警器正常，調取歷史數據正常。三是進行自動火災報警功能測試時，在軟件系統中設定報警溫度≥50℃、報警煙霧濃度≥5%obs/m，點燃測試火源后，在相應指數達到設定值時報警器成功發出警報（如圖5所示）。測試結論是該系統滿足設計要求。

5 討論

本研究為建筑智能化、無線監控、火災自動報警等系統設計以及相關實驗實訓課程教學改革提供了理論依據和技術支撐。但是，分析該系統設計需求、搭建過程和運行狀態，發現還可以進一步采取措施完善設計，以提升研究成果和應用效果。

一是增加功能模塊。本設計是基于建筑智能化實訓平臺的原有線火災自動報警系統而進行的二次開發，只實現了原有線設備功能的無線化，沒有在原基礎上增加新的功能。可以嘗試增加新的功能模塊，比如：可燃氣探測器、光照強度傳感器等，以實現全方位的環境監測。

二是擴展無線網絡覆蓋范圍。建筑智能化實訓平臺有多個功能子系統，多數設備均可以通過改造或替換接入無線網絡。比如針對視頻監控系統，可將現有的有線攝像頭替換為無線攝像頭，通過WiFi將其加入現有無線網，并在軟件系統中設計相應模塊，實現實時的無線視頻監控。

三是有針對性地打造實訓課程環節。建立無線火災自動報警系統為高職院校相關專業學生實訓課程教學打下了基礎，教師應有針對性地將ZigBee技術理論、ZigBee模塊搭建、無線網絡組建和系統軟件設計等實訓環節增設到現有課程中，從理論基礎出發，讓學生自己動手完成系統安裝與調試，對比設備在有線和無線兩種不同狀態下的運行效果，學會獨立思考，切實提升實踐技能水平。

參考文獻：

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